瞿明 萬瑞霞

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

隨著國家不斷的提高新能源應(yīng)用的比例，太陽能在實際的應(yīng)用中非常廣泛，在工業(yè)、民眾生活中的應(yīng)用日趨成熟。在國家的“十三五”規(guī)劃中，發(fā)改委明確提出太陽能的應(yīng)用在2020年和2030年達到占比一次能源比重15%、20%的目標[1]。在“光伏+”、分布式光伏發(fā)電等政策鼓勵下，光伏建筑一體化將迎來蓬勃發(fā)展的時代。

1 光伏建筑

建筑物是為人們生活生產(chǎn)提供遮風避雨的地方，在使用過程中需要能源供給，據(jù)統(tǒng)計其能耗大約占世界總能耗的1/3。如果在建筑設(shè)計時融入新能源（例如太陽能），那么對節(jié)約建筑能耗有很大的積極意義，“光伏建筑一體化”正式在這種背景下提出的。

光伏效應(yīng)是指光照在半導體與金屬組合之間能夠產(chǎn)生電位差的物理效應(yīng)。以太陽能電池作為載體發(fā)電，在建筑設(shè)計中設(shè)計、建造、維護與改造時主動或被動的利用太陽能，在建筑中加入光伏組件使其成為具有能源自給的一體化光伏建筑[2]。光伏建筑一體化簡稱為BIPV。按照太陽能利用的方式不同分為主動式和被動式，主動式光伏建筑是指依靠效率較高的天陽能收集裝置，通過媒介把能量輸送給建筑物；被動式光伏建筑是指利用建筑物的合理設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來是獲取太陽能。在歐美、日本等國家這些方式都已被廣泛應(yīng)用。

2 光伏材料在建筑中的應(yīng)用及要求

2.1 應(yīng)用形式

按照太陽能光伏材料在建筑中的不同部位和構(gòu)造的結(jié)合程度，目前主要表現(xiàn)為以下幾種形式。

2.1.1 外置式

太陽能光伏組件主要安裝在建筑物的頂部和墻體外邊面，通常采用支架來進行固定。這種方式要求建筑物的屋頂和墻面有足夠的強度用來安裝組件，支架應(yīng)當具有抗防水、耐腐蝕的特性。在屋頂?shù)慕M件不作為建筑物的屋面層，也不承擔建筑屋面的功能。附加式的光伏墻面主要適用于既有的建筑墻面改造。

圖1 外置式屋頂

圖2 外置式墻面

2.1.2 一體式

與外置式不同的是，一體式光伏組件是在設(shè)計時已經(jīng)充分論證，通常不需要安裝起固定和支撐作用的支架，因為光伏組件將承擔建筑屋頂和外墻的作用。在一體式光伏組件的應(yīng)用中常見為普通太陽能電池、柔性薄膜太陽能電池、太陽能瓦片、光伏幕墻等。

圖3 一體式屋頂

圖4 外置式墻面

2.1.3 建材式

在光伏組件的不斷應(yīng)用和發(fā)展中，有很多新型光伏材料得到應(yīng)用，這類組件本身具有強度好、柔性可塑、透光性優(yōu)良等特點，在建筑物的外墻和屋頂可以之間鋪設(shè)，實現(xiàn)光伏建筑一體化。例如太陽能光伏瓦片屋面，能夠承受一定的建筑荷載，大量用于新建的瓦型屋面和傳統(tǒng)瓦型屋面的改造。透明光伏窗戶也是新型材料的一種，硅電池組件集成在窗戶的玻璃中，既能實現(xiàn)傳統(tǒng)窗戶功能，還能發(fā)出電能使用，可謂一舉兩得。

圖5 光伏瓦屋頂

圖6 光伏窗戶

2.1.4 其他形式

光伏組件在很多公共建筑場所有很廣泛的用途。可以用于建設(shè)雨棚、外廊、看臺遮陽、光伏陽臺、公共場館的移動屋頂、農(nóng)業(yè)大棚、路燈、雕塑美化等。

圖7 公共場館屋頂

圖8 光伏頂篷

2.2 設(shè)計要求

光伏建筑在使用和設(shè)計中還需要考慮諸多因素，這些因素都是保證光伏建筑有效合理應(yīng)用的基本條件。1）符合建筑物美學的設(shè)計；2）符合建筑物對通風和采光的需求；3）符合國家對建筑物安全性能的要求；4）便于安裝和施工；5）與傳統(tǒng)建材相比具有使用壽命長的特點；6）符合綠色環(huán)保的要求。

3 光伏建筑屋頂?shù)膬?yōu)化

建筑物的屋頂是接受陽光最直接的區(qū)域，世界各國都根據(jù)本國實際情況設(shè)計了“屋頂計劃”。美國在1997年安排“克林頓總統(tǒng)百萬屋頂光伏計劃”；德國在1998年開始建設(shè)“十萬天棚計劃”，鼓勵本國居民在建筑屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)；我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然起步較晚，但是發(fā)展非常迅速，在太陽能“十三五”的規(guī)劃中，我國明確提出開展建設(shè)分布式發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)，計劃到2020年在全國范圍建成100個分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)，園區(qū)內(nèi)80%以上的新建建筑的屋頂、50%已有建筑的屋頂均安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)?？梢哉f，光伏建筑建設(shè)進入了示范建設(shè)的階段[1，3-4]。

建筑物中墻體主要以立面形式出現(xiàn)，但是建筑物屋頂?shù)男螤詈芏?，在設(shè)計光伏建筑的時候應(yīng)充分考慮光伏組件受光效能最大的因素，這樣就可以使安裝的光伏組件在工作中發(fā)揮最大效率。在本文中針對平面坡屋頂和曲面屋頂?shù)淖罴褍A角的選擇進行分析，為普通建筑大規(guī)模使用光伏技術(shù)提供參考。

3.1 相關(guān)地理參數(shù)及天文量

無論是平面還是曲面屋頂，在計算最佳角度時首先應(yīng)當獲得本地區(qū)的地理參數(shù)和所需計算的天文物理量。其主要有以下參數(shù)：

1）所在地區(qū)的地理緯度，可通過GPS設(shè)備查詢；2）太陽赤緯角（陽光與赤道面的夾角），可由庫珀方程計算；3）太陽時角；4）太陽高度角（陽光與地平面之間的夾角）；5）太陽方位角（太陽照射的光線在地平面的投影與當?shù)刈游缇€的夾角）；6）日照時間，其是影響太陽輻照量的主要因素，可以根據(jù)公式計算得到[5]。

3.2 平面屋頂照射傾角的計算

在計算中太陽輻照量的獲取是由氣象部門監(jiān)測、記錄的。我們可以根據(jù)需要選擇逐日、逐月、逐時的數(shù)據(jù)。也可以選擇逐月數(shù)據(jù)的平均量作為依據(jù)進行計算。照射面上的輻照總量可以按照Klein的計算方法：傾斜面上的太陽輻照總量HT等于直接太陽輻照量、天空散射輻照量、地面反輻照量Hrt三部分之和[6]。最后根據(jù)轉(zhuǎn)換后的電量計算極值，根據(jù)插值的計算方法求解出最佳傾角。

圖9 平面屋頂傾角計算流程

3.3 圓形曲面屋頂照射傾角的計算

像自然界生長的樹一樣，每一片葉子都能夠在自己的位置獲取更多的陽光，最終形成了自己吸收太陽輻射能的最佳位置。建筑物的光伏屋頂如果做成曲面也是可以能夠在有限的面積內(nèi)吸收更多的陽光，產(chǎn)生更多的電能。

在安裝光伏組件的時候是安裝圓形建筑物的外表面，光伏組件的跨度是圓弧所對應(yīng)的圓心角，在安裝時如果跨度過大會使東西兩邊的光伏組件使用效率過低，不僅增大了投資，還降低了經(jīng)濟性能；若跨度較小會導致太陽能利用不夠充分，整體光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出能力減弱。

4 結(jié)語

圖10 圓形曲面屋頂傾角計算流程

對已經(jīng)應(yīng)用的光伏建筑形式和材料做了歸納。在光伏組件與建筑一體化的設(shè)計中對平面屋頂和圓形曲面屋頂?shù)膬?yōu)化進行了分析，為使光伏建筑能夠獲得最大太陽能利用率提供理論參考。在光伏建筑的應(yīng)用和設(shè)計中應(yīng)按照一年用電負荷的使用為目標，避免個別月份過度缺電的情況發(fā)生。隨著國家在新能源利用技術(shù)中的不斷進步，太陽能在建筑中還有采暖、通風等很多的用途。